GNSS应用与方法

第1章 全球卫星导航系统：现在与未来 （1）

1.1 引言 （1）

1.1.1 当前和计划中的GNSS星座 （1）

1.1.2 GNSS用户架构 （2）

1.1.3 当前的GNSS应用 （4）

1.1.4 定位性能评估 （6）

1.2 GNSS信号的改进 （6）

1.2.1 增加的GPS频率 （6）

1.2.2 高精度测距 （7）

1.2.3 更长的测距码 （7）

1.2.4 更高的传输功率水平 （8）

1.3 先进的接收机技术 （8）

1.3.1 传统接收机 （8）

1.3.2 基于FPGA的接收机 （9）

1.3.3 软件定义的GNSS接收机 （9）

1.4 路线图：如何使用本书 （10）

1.5 扩展阅读 （14）

参考文献 （14）

第2章 GNSS信号的捕获与跟踪 （15）

2.1 引言 （15）

2.2 GNSS信号的背景 （15）

2.2.1 BOC信号调制 （16）

2.2.2 PRN码 （17）

2.3 PSK信号的搜索 （18）

2.4 PSK信号的跟踪 （23）

2.4.1 锁相环（PLL） （23）

2.4.2 锁频环（FLL） （24）

2.4.3 延迟锁定环（DLL） （25）

2.5 BOC信号的搜索 （27）

2.6 BOC信号的跟踪 （29）

2.6.1 利用单边带（SSB）技术的BOC信号跟踪 （30）

2.6.2 利用多门鉴别器（MGD）的BOC信号跟踪 （30）

2.6.3 利用碰撞与跳跃（BJ）算法的BOC信号跟踪 （32）

2.6.4 利用双重估计器（DE）的BOC信号跟踪 （32）

参考文献 （36）

第3章 GNSS导航：对位置、速度和时间的估计 （38）

3.1 概述 （38）

3.2 位置、速度、时间（PVT）估计 （38）

3.2.1 估计接收位置和时钟偏差 （39）

3.2.2 电离层误差的影响 （42）

3.2.3 卫星用户几何结构的影响（DOP） （43）

3.2.4 估计接收机速度和时钟漂移 （44）

3.2.5 估计时间 （45）

3.2.6 使用扩展卡尔曼滤波器（EKF）的PVT估计 （45）

3.2.7 通过载波相位定位增强精度 （46）

3.2.8 误差源 （46）

3.3 GNSS模拟器 （47）

3.3.1 GNSS模拟器的测量细节 （47）

3.3.2 GNSS模拟器接口文件 （49）

3.3.3 后处理GNSS模拟器输出文件 （50）

3.4 GNSS模拟器实例 （50）

3.4.1 例1：简单的导航 （50）

3.4.2 例2：目的地之间移动 （52）

3.4.3 例3：FlightGear航点导航 （54）

3.4.4 例4：双频计算 （55）

3.4.5 例5：增加Galileo卫星 （57）

3.4.6 例6：基于航天器的接收机 （58）

3.5 总结 （59）

3.6 DVD中提供的程序与工具 （59）

参考文献 （60）

第4章 差分GNSS：准确性与完好性 （61）

4.1 DGNSS简介 （61）

4.2 差分GNSS的基本原理 （61）

4.2.1 误差来源与空间关联度 （62）

4.2.2 局域/区域DGNSS改正数和DGNSS网络 （65）

4.2.3 DGNSS改正数的分发方法 （66）

4.2.4 DGNSS改正数的延迟管理 （67）

4.3 DGNSS完好性威胁和抑制 （68）

4.3.1 完好性威胁和GNSS故障 （68）

4.3.2 DGNSS系统故障造成的完好性威胁 （76）

4.3.3 信号传播异常导致的完好性威胁 （76）

4.4 总结 （80）

4.5 DVD中提供的数据 （81）

参考文献 （81）

第5章 GPS软件接收机 （86）

5.1 引言和背景 （86）

5.2 许可、开发环境和开发工具 （86）

5.2.1 许可 （86）

5.2.2 GNU/Linux操作系统 （87）

5.2.3 微软Windows系统 （87）

5.2.4 苹果Mac OS X系统 （87）

5.2.5 显示接收机输出 （87）

5.3 示例数据集 （88）

5.3.1 数据集1 （88）

5.3.2 数据集2，与WAAS修正数据一起使用 （89）

5.4 fastgps软件接收机的使用 （89）

5.4.1 配置文件 （90）

5.4.2 输出文件 （92）

5.5 fastgps软件接收机的结构 （94）

5.5.1 定时和时钟管理 （94）

5.5.2 主处理循环 （95）

5.5.3 捕获 （96）

5.5.4 跟踪 （98）

5.5.5 导航 （101）

5.6 对未来改进的建议 （103）

5.7 扩展阅读 （104）

参考文献 （104）

第6章 GNSS和INS的组合：第一部分 （106）

6.1 引言 （106）

6.2 惯性导航 （107）

6.2.1 惯性传感器 （107）

6.2.2 坐标系 （107）

6.2.3 动力学方程 （108）

6.2.4 系统初始化 （111）

6.2.5 INS误差模型 （112）

6.3 GNSS/INS组合的概念 （113）

6.3.1 GNSS/INS组合的动机 （113）

6.3.2 组合结构概述 （113）

6.3.3 GNSS/INS松组合 （114）

6.3.4 GNSS/INS紧组合 （115）

6.3.5 GNSS/INS深组合 （116）

6.4 滤波/估计算法 （117）

6.4.1 GNSS/INS扩展卡尔曼滤波器（EKF）概述 （117）

6.4.2 GNSS/INS系统的时间演化 （119）

6.5 GNSS/INS组合的实现 （120）

6.5.1 IMU传感器误差模型 （120）

6.5.2 GNSS/INS组合：分步步骤 （122）

6.6 实际考虑的因素 （123）

6.6.1 杠杆臂 （123）

6.6.2 时间要求 （123）

6.7 总结和扩展阅读 （124）

参考文献 （124）

第7章 GNSS和INS的组合：第二部分 （127）

7.1 引言 （127）

7.2 案例1：低成本GNSS/INS组合导航仪 （127）

7.3 案例2：车辆侧滑估计 （130）

7.3.1 动机 （130）

7.3.2 可观测性 （132）

7.4 案例3：INS辅助高精度GNSS （133）

7.4.1 GNSS模糊度解析概述 （133）

7.4.2 INS模糊度解析的优点 （134）

7.5 软件示例 （135）

参考文献 （135）

第8章 LADAR、INS和GNSS组合导航 （137）

8.1 引言 （137）

8.2 基于LADAR的TERRAIN组合方法 （137）

8.3 基于LADAR的地形参考位置估计 （140）

8.3.1 位置估计和表面SSE （140）

8.3.2 穷举网格搜索 （142）

8.3.3 基于梯度的搜索 （143）

8.4 惯性速度误差的估计 （145）

8.5 TERRAIN系统性能的案例研究 （145）

8.5.1 个案研究Ⅰ——通用定位系统 （145）

8.5.2 个案研究Ⅱ—精密进近引导系统 （147）

参考文献 （151）

第9章 GNSS与射频系统结合 （152）

9.1 定位系统备选方案 （152）

9.2 RF定位类型和分类 （153）

9.2.1 接近（proximity）定位 （155）

9.2.2 无线电测向（DF）和到达角（AOA）定位 （156）

9.2.3 使用多普勒频率定位 （158）

9.2.4 使用信号强度的位置估计 （160）

9.2.5 用时间、相位和到达时间差（TOA、POA和TDOA）定位 （161）

9.3 估计方法 （163）

9.3.1 用三角测量作确定性估计 （163）

9.3.2 用最近邻法作确定性估计 （165）

9.3.3 基于非测距的位置估计 （167）

9.3.4 使用质心/中心的概率估计 （167）

9.3.5 贝叶斯状态估计 （168）

9.4 组合方法 （169）

9.4.1 最小二乘组合 （169）

9.4.2 卡尔曼滤波组合 （169）

9.4.3 语境处理 （170）

9.5 系统实例 （170）

9.5.1 伪卫星 （170）

9.5.2 伪同步 （171）

9.5.3 自同步网络 （171）

9.5.4 GPS和相对导航 （171）

9.5.5 基于电视的定位 （172）

9.5.6 蜂窝定位系统和GNSS的组合 （173）

9.6 DVD中包含的例子 （173）

9.7 扩展阅读 （174）

参考文献 （174）

第10章 航空应用 （178）

10.1 引言 （178）

10.2 航空增强系统的分类 （178）

10.3 GPS及其增强系统对航空用户的优势 （179）

10.3.1 海上飞行 （179）

10.3.2 陆上飞行：途中导航、终端导航和非精密进近 （180）

10.3.3 精密进近和着陆 （180）

10.4 GNSS航空导航的未来 （181）

10.4.1 GNSS现代化 （181）

10.4.2 下一代空中交通管理系统（NextGen） （182）

10.4.3 航空导航能力备份 （182）

10.5 航空增强系统的功能 （183）

10.5.1 增强系统的性能要求 （183）

10.5.2 正常情况下的误差限 （184）

10.5.3 异常情况下的误差限 （186）

10.5.4 监测 （189）

10.6 结论 （191）

10.7 扩展阅读 （192）

参考文献 （192）

第11章 GNSS与罗兰系统组合 （196）

11.1 引言 （196）

11.2 罗兰概述 （196）

11.2.1 罗兰C （196）

11.2.2 eLoran （197）

11.3 工作原理 （198）

11.4 GNSS/Loran组合的历史原因 （200）

11.5 组合方案 （201）

11.5.1 位置域组合 （201）

11.5.2 距离域组合 （202）

11.5.3 Déjà Vu 导航：距离域组合案例（205）

11.5.4 距离域组合的完好性 （207）

11.5.5 用于罗兰完好性的准确度改进 （208）

11.5.6 跟踪环域组合 （208）

11.6 结论 （209）

参考文献 （209）

第12章 室内和弱信号导航 （211）

12.1 引言 （211）

12.2 与微弱信号处理相关的注意事项 （212）

12.2.1 弱信号捕获 （213）

12.2.2 时钟稳定性和积分时间 （214）

12.2.3 弱信号跟踪 （214）

12.2.4 互相关和干扰信号 （215）

12.2.5 多径抑制 （215）

12.2.6 未来GNSS的好处 （217）

12.3 辅助的可能性和支持系统 （217）

12.3.1 辅助 （217）

12.3.2 GNSS支持系统 （218）

12.4 弱信号条件下的导航算法 （219）

12.4.1 用户运动的约束 （220）

12.4.2 地图匹配 （220）

12.4.3 自适应算法 （221）

12.5 质量和完好性监测 （221）

12.5.1 完好性监测简介 （221）

12.5.2 可靠性测试 （222）

12.5.3 加权最小二乘法 （223）

12.5.4 残差和冗余 （224）

12.5.5 全局测试 （224）

12.5.6 局部测试 （225）

12.5.7 零假设和备择假设 （226）

12.5.8 用于故障检测与排除的参数 （227）

12.5.9 多个异常 （227）

12.5.10 卡尔曼滤波中的故障检测与排除 （228）

12.5.11 质量控制 （228）

12.5.12 质量控制的实际考虑 （229）

12.6 DVD中包含的例子 （230）

12.6.1 例1：弱信号捕获 （230）

12.6.2 例2：故障检测与排除 （233）

12.7 总结 （234）

12.8 扩展阅读 （234）

参考文献 （234）

第13章 空间应用 （238）

13.1 引言 （238）

13.2 操作注意事项 （238）

13.2.1 航天器速度 （238）

13.2.2 轨道几何结构 （239）

13.2.3 天线方向 （240）

13.2.4 体积和功率 （240）

13.2.5 多径 （240）

13.2.6 信号强度 （241）

13.2.7 环境 （241）

13.3 应用 （242）

13.3.1 精密定轨 （242）

13.3.2 实时导航 （242）

13.3.3 编队飞行和近距离作业 （243）

13.3.4 遥感 （244）

13.3.5 定姿 （244）

13.3.6 高轨GNSS （245）

13.3.7 发射、入轨和着陆 （245）

13.4 GNSS现代化 （246）

13.5 例子：处理来自GRACE卫星的原始测量数据 （246）

13.6 总结 （248）

参考文献 （248）

第14章 大地测量和测量学 （251）

14.1 背景介绍 （251）

14.1.1 GNSS测量技术 （251）

14.1.2 GNSS大地测量 （253）

14.2 技术概述 （253）

14.2.1 GNSS大地测量和测量学的数据模型和处理策略 （253）

14.2.2 数学模型 （254）

14.2.3 基线处理 （256）

14.2.4 定位的网络处理 （259）

14.3 GNSS地面设施——连续运行参考站（CORS）网络 （259）

14.3.1 IGS基础设施 （260）

14.3.2 国家CORS基础设施 （263）

14.4 测量和大地测量应用及运行模式 （265）

14.4.1 GNSS测量技术 （265）

14.4.2 GNSS大地测量 （268）

14.5 未来：下一代GNSS （271）

14.5.1 更多卫星和信号的好处 （271）

14.5.2 GNSS基础设施的提高 （272）

14.5.3 应用和未来 （273）

参考文献 （273）

第15章 使用GNSS掩星的大气遥感 （276）

15.1 引言 （276）

15.2 掩星测量 （277）

15.3 大气反演 （279）

15.3.1 弯曲角度廓线推导 （279）

15.3.2 电离层校正 （280）

15.3.3 大气廓线的推导 （281）

15.4 天气和气候应用 （283）

15.5 最新进展 （283）

15.6 DVD中包含的脚本和数据 （285）

15.7 扩展阅读 （286）

参考文献 （286）

第16章 基于双基GNSS反射信号的遥感 （289）

16.1 引言 （289）

16.1.1 传统遥感技术的一般性讨论 （289）

16.1.2 利用GNSS反射信号的遥感技术 （290）

16.2 反射几何关系 （291）

16.2.1 表面反射点位置的估计 （291）

16.2.2 延迟和多普勒在表面的分布 （291）

16.3 信号处理 （293）

16.3.1 检测和表面映射 （293）

16.3.2 平均连续相关 （294）

16.3.3 延迟波形与延迟多普勒图 （295）

16.4 遥感理论 （297）

16.4.1 双基表面散射 （297）

16.4.2 双基雷达散射截面 （298）

16.4.3 海面建模 （299）

16.4.4 双基陆地散射 （300）

16.4.5 海冰的双基散射 （301）

16.5 海面测高 （301）

16.5.1 动机 （302）

16.5.2 机载测高 （302）

16.5.3 空间GNSS海洋测高 （303）

16.6 海风及海浪遥感 （304）

16.6.1 飞机上的海风及海浪测量 （304）

16.6.2 航天器上的海浪遥感 （305）

16.7 GNSS双基陆地与冰块遥感 （307）

16.7.1 GNSS陆地反射的历史与应用 （307）

16.7.2 航天器检测到的地面反射 （307）

16.7.3 GNSS冰面反射的历史与应用 （309）

16.7.4 航天器检测到的海冰反射 （309）

16.8 DVD上提供的数据 （312）

16.8.1 镜面反射点计算脚本 （313）

16.8.2 表面散射模型 （313）

16.8.3 航天器数据和处理工具 （313）

16.9 扩展阅读 （313）

参考文献 （314）

第17章 发展中的新导航信号和未来系统 （317）

17.1 GNSS的历史 （317）

17.1.1 GPS （317）

17.1.2 卫星载波信号的调制 （318）

17.2 发展的目的 （318）

17.2.1 Galileo运行的主要概念 （319）

17.3 新调制策略 （320）

17.3.1 现有的扩谱符号——BPSK调制 （320）

17.3.2 二进制偏置载波（BOC）调制 （322）

17.3.3 多路复用BOC调制 （328）

17.3.4 复合BOC调制 （329）

17.3.5 时分多路BOC调制 （331）

17.3.6 其他扩频符号调制方案 （332）

17.3.7 交替BOC（AltBOC）调制 （334）

17.4 信号多路复用技术 （336）

17.4.1 QPSK （337）

17.4.2 Interplex （337）

17.4.3 其他技术 （338）

17.5 干扰 （338）

17.5.1 性能指标 （339）

17.5.2 频谱分离系数（SSC） （341）

17.6 建议的系统和信号特性列表 （345）

17.6.1 全球CDMA卫星导航系统I：GPS （345）

17.6.2 全球CDMA卫星导航系统Ⅱ：Galileo （347）

17.6.3 全球CDMA卫星导航系统Ⅲ：Compass （348）

17.7 总结 （348）

参考文献 （349）

作者简介 （350）

《GNSS应用与方法》系统介绍 GNSS （全球导航卫星系统）的应用及其方法，全书共17章：第1～5章讲述GNSS导航的基础知识，如GNSS信号捕获和跟踪，GNSS位置、速度和时间（PVT）估计，差分GPS技术和算法等，其中包括位置和速度应用的GNSS测量模拟器演示以及一个完整的GPS软件接收机实现；第6～16章深入阐述GNSS与其他导航系统（如惯性导航器、LADAR、各种射频测量、罗兰系统等）的组合，以及GNSS在航空航天、室内和弱信号导航、掩星、大地测量、环境遥感等领域的应用；第17章是针对GPS开发的新导航信号和未来系统的概述。
本书由本领域的知名专家学者撰写，内容丰富，体系完整，各章均包含实际应用案例，并在随书附带的DVD光盘中提供了相应的程序代码，便于读者亲自动手操作和练习。